Účinky zvukové energie na plicní výměnu plynů

Zvukové vlny se používají v různých průmyslových odvětvích k urychlení procesu míchání nebo separace tekutin (plynů/kapalin). Prokázali jsme, že určité zvukové vlny mohou bezpečně zlepšit výměnu plynů v plicích krys prostřednictvím urychlení difúze plynu v jejich dýchacích cestách a alveolách. Nyní chceme zjistit, zda podobné zvukové vlny mohou zlepšit výměnu plynů u lidí.

Zařízení, které vytváří zvukové vlny, je ultrazvukový tlakový oscilátor schopný vytvářet zvukové vlny podobné hlasitosti a frekvenci hlasitému lidskému zpěvu nebo křiku. Tyto vlny jsou převážně ve frekvenčním rozsahu 50-500 Hz (Hertz, oscilace za sekundu) s intenzitou 85-105 dBs (deci Bells, jednotka intenzity akustického tlaku).

Provedli jsme dvě laboratorní studie a byli jsme svědky schopnosti zvukových vln zvýšit difúzi plynu. V pilotní studii na potkanech jsme prokázali bezpečné a významné zlepšení výměny plicních plynů pod vlivem zvukové energie. Účinky zvukových vln na výměnu plynů u lidského subjektu, hlavního výzkumníka (PI), byly také analyzovány v metabolickém testu se slibnými výsledky. Klinicky významné zlepšení plicní difúze plynu PI bylo také zaznamenáno v testu DLCO (difuzní kapacita plic pro oxid uhelnatý). V ještě dalším testu, uměle zvětšené studii plicního mrtvého prostoru, byly měřeny transkutánní tlaky kyslíku a oxidu uhličitého (PtcCO2 & PtcO2) PI a výsledky naznačovaly přítomnost požadovaných a bezpečných účinků konkrétních zvukových vln při výměně plicních plynů. Výše uvedené studie podporují zdůvodnění, cíle a metodologii navrhovaných studií.

Naše studie na lidech se budou skládat z primární a sekundární části. V primární části nejsou zvukové vlny přiváděny do plic subjektů přímo a jsou spíše dodávány do válce s otevřeným koncem, zatímco subjekty dýchají vzduch z uzavřeného konce válce. Intenzita zvuku bude udržována v rozmezí 95-105dB.

Ve druhé části studií jsou zvukové vlny nižší intenzity (85-95dB) přiváděny přímo do plic subjektů, zatímco subjekty procházejí 1) metabolickým testem a 2) testem plicní difúzní kapacity (DLCO). Výsledky těchto testů budou porovnány s výsledky základního testu subjektu (bez zvukových vln).

V obou částech studie budou nosní dírky subjektů sevřeny běžnými plastovými nosními svorkami, protože budou požádáni, aby drželi náustek a dýchali skrz něj.

V primární části budou zvukové vlny 95-105dB dodávány do 16L (litrového) frustum (kónického válce). Širší základna komolého kužele je otevřena vzduchu z místnosti, ale jeho menší základna je uzavřená. Trubička 2x20 cm spojí uzavřený konec komolého kužele s náustkem. Subjekty budou dýchat dovnitř a ven z užší (uzavřené) základny komolého náústku po dobu 3 minutových cyklů následovaných 3 minutovými cykly dýchání čerstvého vzduchu v místnosti. PtcCO2 a PtcO2 subjektů budou měřeny s komolým kuželem drženým v různých prostorových orientacích vzhledem k jeho otevřené základně, která bude 1) svisle nahoru (+90 stupňů s horizontem), 2) vodorovně (0 stupňů), svisle dolů (- 90 stupňů) a nakloněn do úhlů -45 stupňů. Tento test bude trvat minimálně 6x4=24 minut a ne více než 30 minut pro každý předmět. Poté budou provedeny stejné testy se zvukovou energií zavedenou do komolého kužele. Celková doba studia každého předmětu bude přibližně 48-60 minut.

Sekundární část studia se skládá ze dvou částí. V první části bude měřena difúzní kapacita plic, zatímco zvukové vlny jsou přehrávány převodníkem a dodávány přes náustek do ústní dutiny subjektů. Zvukové vlny se budou šířit dolů plicními dýchacími cestami a do alveol. Vyšetřující poslouchá hrudní stěnu, aby se ujistil, že subjekt umožňuje vlnám se šířit dýchacími cestami, aniž by překážel v cestě zvukovým vlnám nechtěným zadržováním jazyka nebo zadržováním dechu. Uvedený náustek je připojen přes Y-konektor ke stroji DLCO a trubici, která dodává zvukové vlny. Doba trvání zvukového efektu bude pouze 9 sekund podle protokolu rutinního testování DLCO. Toto období se shoduje s časem, kdy se subjekt zhluboka nadechne a zadrží jej po dobu 9 sekund. Bude měřena plicní difúzní kapacita subjektů a porovnána s výsledky testu bez zvuku. Ačkoli test používá jako stopovací plyn velmi malé množství oxidu uhelnatého (CO), toto množství je považováno za zanedbatelné a zcela bezpečné. Tento test byl na lidech běžně prováděn po mnoho let bez známých rozeznatelných vedlejších účinků. Byl schválen FDA před mnoha lety. Existuje množství lékařské literatury týkající se bezpečnosti a metod používaných v DLCO. Existuje také několik videí YouTube, která ukazují, jak se provádí DLCO. Vyzýváme účastníky, aby se na tato videa před studiem podívali. Subjekty budou pohodlně sedět na židli, držet náustek v ústech a dýchat vzduch v místnosti. Test mohou kdykoli snadno přerušit jednoduchým vytažením náustku z úst.

Ve druhé části budou subjekty podrobeny metabolickým testům, kde se měří jejich vydechovaný kyslík (O2) a oxid uhličitý (CO2) se zvukovými efekty i bez nich. Metabolické testy byly schváleny FDA již mnoho let a jsou obecně považovány za velmi bezpečné. Během testu účastníci dýchají z náustku se sevřenými nosními dírkami. Dýchací plyny budou poskytovány připojením náustku k trubici, která má obvykle základní průtok vzduchu v místnosti 40 l/min nebo více. Abychom prokázali zlepšení okysličení prostřednictvím zvukové energie, budeme muset vytvořit suboptimální dýchací prostředí a uměle vyvolanou hypoxii. Mírná hypoxie je obecně dobře tolerována zdravými lidmi, i když může způsobit, že se jedinec cítí dušný a tachypnoický. Do přiváděného vzduchu přidáme dusík, abychom snížili podíl vdechovaného kyslíku (FiO2) na 17,5 %, což koreluje s dýcháním ve výšce 7500 stop (přibližně 2250 m) nebo podobně jako v lyžařském středisku, až na to, že se neptáme naše subjekty, aby se zapojily do intenzivního cvičení, jako je lyžování, a test trvá pouze ~ 20 minut. Snížený FiO2 sníží tepovou frekvenci (SpO2) subjektů na 92-94 %, což je obecně považováno za bezpečné a dobře tolerované všemi normálními lidskými subjekty bez kardiopulmonálních onemocnění. Výsledná mírná a přechodná respirační alkalóza nemá žádný klinický význam, protože zahrnuje pouze 20minutový test a nerovnováha pH by byla přirozeně vyrovnána bez vyvolání jakýchkoli elektrolytových abnormalit.

Akustický měnič, jak již bylo krátce zmíněno, je jednoduchý generátor zvukových vln a skládá se z generátoru tónů (obvykle počítač), elektronického zesilovače, akustického měniče podobného běžnému reproduktoru a nálevkového a trubkového systému, který řídí zvukové vlny do náustku subjektů. Jeho funkce je velmi podobná, jako když stojíte před reproduktorem a necháte zvuky pronikat do úst/nosu a do plicních cest s tím rozdílem, že za účelem ochrany uší a zesílení zvuků se používá trychtýř k zachycení vln a jejich nasměrování. do dutiny ústní pomocí hadičky. Zařízení vyrábí, ladí a kalibruje hlavní řešitel. Dokáže produkovat tóny od 20 Hz do cca 11 KHz s užitečnými intenzitami od 65dB do maximálně 110dB. Jednoduché zařízení bylo úspěšně použito u potkanů ​​a lidí (PI) bez jakýchkoli rozpoznatelných vedlejších účinků.

Podrobnější popis metodiky a výsledků našich předchozích studií naleznete v přiložených dokumentech s odkazovanou literaturou.

Sběr dat:

Během první části studie budou data s PtcCO2, PtcO2, srdeční frekvencí, dechovou frekvencí, minutovým objemem a krevním tlakem zaznamenána do tabulky a uložena na počítačích chráněných heslem.

Změny difúzní kapacity plic pod vlivem zvukových vibrací budou měřeny a zaznamenány pomocí přístroje DLCO na respiračním oddělení LLUMC. Data budou také uložena na heslem chráněných počítačích pomocí šifrovaného MS-Excel kromě paměti stroje DLCO. Během metabolických testů budou kontinuálně monitorovány vdechované a vydechované koncentrace O2 a CO2 spolu se srdeční frekvencí, dechovou frekvencí, pulzní oxymetrií, krevním tlakem, celkovou úrovní pohodlí subjektu a jeho/její klinickou pohodou. Zašifrovaná a heslem chráněná data budou shromažďována v tabulkách Microsoft pro statistickou analýzu biostatistikem.

RIZIKO A ZRANĚNÍ:

Lidské uši jsou zvláště náchylné k poškození hlasitými zvuky. Bolest nebo nepohodlí v uchu se může objevit již při hladinách zvuku 110 dB, ale bolestivé hladiny zvuku jsou obecně považovány za hladiny v rozsahu 125-135 dB. Jiné orgány snášejí zvukovou vlnu mnohem lépe a k poškození tkáně normálně nedochází při hladinách intenzity zvuku nižších než 160-170dB. Intenzita zvuku bude během studií sledována a zaznamenávána. Intenzity budou vždy udržovány pod 105 dB, což je výrazně pod jakýmikoli škodlivými úrovněmi s ohledem na skutečnost, že hladiny akustického tlaku jsou měřeny v logaritmické stupnici.

Během metabolických testů bude pulzní oxymetrie u subjektů udržována nad 92 %, aby se předešlo jakýmkoli škodlivým účinkům. Tyto hladiny jsou lidmi velmi dobře tolerovány a běžně lékaři pacientům v těchto hladinách nedodávají žádný kyslík. Velmi krátká hypoxie s hyperkapnií nastane během testu komolého tvaru, když je komolý tvar držen v poloze +90 stupňů, protože SpO2 klesne na horních 70 s až nižších 90 s přibližně za 3 minuty, což je limit tohoto testu. Pokud SpO2 subjektu klesne pod 80 %, test zastavíme před mezníkem 3 minuty. Krátkodobá a přechodná hypoxie a hyperkapnie je dobře tolerována. Lékař bude přítomen vždy, když probíhají testy. Důkladná lékařská prohlídka těsně před testy zajistí i bezpečnost subjektů.

Metabolické studie a testy DLCO se běžně provádějí po mnoho let/dekád a jsou obecně považovány za velmi bezpečné. Množství vdechovaného oxidu uhelnatého použitého jako sledovací plyn v DLCO je výrazně nižší než jakákoli toxická úroveň. Tyto testy byly schváleny FDA po dlouhou dobu a jsou považovány za bezpečné i u pacientů s plicními poruchami.

VÝHODY:

Studie nemají žádný přímý nebo bezprostřední přínos pro subjekty účastnící se studie. Předpokládalo se, že zvukové vlny mohou pomoci snížit výskyt a závažnost "ventilací vyvolaného poškození plic nebo VILI" v rozsahu, který dosud nebyl změřen. Hlavním důvodem tohoto předpokladu je, že přidání správných zvukových vln k dýchacím plynům nám umožní efektivně ventilovat plíce s nižším FiO2 a/nebo nižším středním tlakem v dýchacích cestách (Pmaw) ve srovnání s aktuálně dostupnými technologiemi. Již dlouhou dobu je známo, že vysoké FiO2/Pmaw jsou dva hlavní prediktory VILI. Očekává se také, že výsledek kardiopulmonální resuscitace (KPR) a mnoha akutních nebo chronických plicních poruch, jako je CHOPN, astma, cystická fibróza, bronchopulmonální dysplazie, restriktivní plicní poruchy, akutní poškození plic, pneumotorax, RDS a některé další stavy se mohou zlepšit. pomocí správných zvukových vln.